塑料薄膜生产线钢板导轨制造工艺研究

0 引言

在双向拉伸聚丙烯薄膜的生产过程中,片材的横向拉伸是在横向拉伸机(简称横拉机)上完成的。横拉机左右对称配备有两圈连续、同步运转的滚子链,链铁安装在链条上,能够牢固地夹住薄膜两侧,并装配在可调节距离的导轨上^[1]。

横拉机所采用的链铁主要有两种形式,即滚动链铁和滑动链铁。在采用滚动链铁拉伸薄膜时亦需采用相应的钢板导轨,如图1所示。常用的长宽高尺寸为3 000 mm×100 mm×8mm。

国产钢板导轨由于在材料选择、制造工艺技术、 质量等方面与国外钢板导轨存在较大差距 ,直接影  响了生产线的运行 , 并最终影响到薄膜的成膜稳定  性和连续性 , 因而成为制约国产高速宽幅薄膜生产  线快速发展的瓶颈之一 。本文将根据笔者多年双向  拉伸塑料薄膜生产线的设计及使用经验 ,对钢板导  轨的技术指标及其制造工艺进行分析。

1   钢板导轨的技术指标

钢板导轨采用优质合金结构钢板材 , 具有材料 通用、易机加工、热处理性能好等特点 ,被广泛应用 于BOPP、BOPET、BOPE、BOPS等塑料薄膜拉伸生产 线 。国产塑料薄膜生产线某些指标已接近国外同类 设备 ,但生产线的关键设备还依赖进口;在钢板导轨 的技术指标方面亦存在较大差距 ,使用寿命仅为国 外厂商的1/5~1/3。

在使用滚动链铁生产塑料薄膜时 ,钢板导轨的 性能决定了生产线稳定性及耐用性。现阶段 ,钢板导 轨的材料主要采用60Si2MnA ,热处理主要采用渗氮 处理的工艺方法进行 , 表面硬度值在500 HV0 .5左 右。实际运用中 , 由于材料选择或热处理硬度达不到 要求 ,钢板导轨在拉伸拐弯、进口调偏及出口主传动 处经常出现磨损及断裂的现象 , 导致生产线需要停 机更换备件 ,造成了很大的经济损失。

总结薄膜生产线长期实际使用经验,钢板导轨既要保证一定的表面硬度,能耐磨、抗冲击、抗腐蚀,又要保证一定的芯部柔韧性,满足大拉伸比的要求。在借鉴国外技术的基础上进一步完善钢板导轨的技术指标:热处理层厚度0.2~0.3 mm,表面处理硬度600~650 HV0.5,芯部硬度300~350 HV0.5。热处理硬度数值示意图如图2所示。

2钢板导轨制造工艺研究

在总结以往钢板导轨磨损情况,分析参考国外设计制造技术的基础上,开展工艺流程设计,优化工艺步骤,采用三种制造工艺—氮化、软氮化、离子氮化进行比较研究。

2.1前期准备工作

2.1.1材料选择

42CrMo属于超高强度钢,具有极高的强度和韧性,淬火后的可变性也相当好。经过调质处理后,该钢材不会出现明显的回火脆性,展现出较高的疲劳极限和抗冲击性能,同时其在低温环境下也具备出色的抗冲击韧性。这类钢材非常适用于制造那些要求具备耐冲击性和高强度的结构部件^[2],其性能使其成为制造钢板导轨的理想原材料。

2.1.2毛坯下料

采用热轧钢板切割下料,切割方向与钢板轧制方向一致,毛坯下料长度为3100mm×115mm×12mm。

2.1.3粗加工

下料完成后,去除飞边毛刺,除锈,清洗工件表面。

2.1.4调质处理

采用淬火后高温回火进行调质处理,通过这种方式可获得所需的回火索氏体。步骤如下:

1)42CrMo毛坯料低温装炉,阶梯升温到870℃ 后保温1 h。

2)放入油中冷却至50~100℃ ,然后取出放在空气中自然冷却;淬火后硬度可达500~550 HV0.5。

3)为防止开裂应立即进行600℃回火处理,达到回火温度后保温2 h。

4)在回火炉中 自然冷却,出炉,经检验硬度为300~350 HV0.5。

调质完成后,如有轻微变形,需用校正设备进行校正。

2.1.5精加工

完成调质处理后,先进行线切割加工:长度3100mm,预留100mm作为加工完成后的分析样品;宽度102mm,预留2 mm作为精加工余量;厚度10 mm,预留2 mm 作为精加工余量。

随后,按要求进行精加工,需保证标注的粗糙度及形位公差要求。

1)长度公差±0.15 mm,宽度公差±0.1 mm,厚度公差0~0.05 mm;

2)长、宽、高六个面的相互垂直度公差0.05 mm;

3)厚度方向两个面的直线度公差0.03/100 mm,平面度公差0.03/100 mm;

4)六个精加工面的粗糙度为Ra=0.8μm。

2.2钢板导轨的制造工艺

在完成前期准备工作后,就可以对其进行表面热处理。

2.2.1氮化工艺

氮化指在一定温度范围内使用某种特定气体,将氮原子渗入零件表面。处理后的零件表现出出色的抗磨损、抗疲劳、抗腐蚀和耐高温等特性^[3]。

通常采用氮化炉进行气体氮化处理。渗氮工艺参数如下:

1)在升温之前需要进行排气。首先通氨气,持续15 min。接着,将控温仪的数值设为160℃并开启自动加热,同时进行排气和加热,持续1 h。

2)当排出的气体中NH₃含量超过90%时,控温仪表被重新设定为520℃ 。在这个阶段,氨气流量被减小,以维持炉内的正压状态。当炉温升至520℃时,渗氮进入恒温恒流阶段,持续25h,此时氨的分解率为35%。

3)升温到550 ℃ ,保持氨分解率为45%,渗氮25h。

4)最后,调小氨气压力,进行1~2 h的退氮操作,然后切断电源,停止加热。在氮化炉温度降到150℃以下之前,需要持续供应少量氨气,保持炉内正压。当炉温降至150℃以下时,停止供应氨气并出炉。

钢板导轨氮化处理后有轻微变形,需用校正设备进行校正,使零部件满足尺寸精度要求。每件样品取5个点,每个点依次递进深度0.05 mm,测量其硬度值并进行金相分析,如图3、图4所示。

结果表明:样品2—1—1表面硬度和芯部硬度均不符合要求,金相组织里出现了白亮层(脆性相),钢板导轨受力时易出现表层开裂和剥落。

2.2.2软氮化工艺

软氮化,指的是在某种气体介质中把碳原子和氮原子同时渗入零件表面的化学热处理工艺。通常采用氮化炉进行气体软氮化处理。软氮化工艺参数如下:

1)在升温之前需要进行排气。首先通氨气,持续15 min。接着,将控温仪的数值设为160℃并开启自动加热,同时进行排气和加热,持续1 h。

2)当排出的气体中NH₃含量超过90%时,控温仪表被重新设定为590℃ ,调节氨气流量至3 m³/h,维持炉内的正压状态;当炉温升到590℃时,通入煤油4mL/min作渗剂,甲醇5 mL/min为稀释剂,恒温恒 流渗氮5 h。

3)最后,调小氨气压力,进行1~2 h的退氮操作,然后切断电源,停止加热。在氮化炉温度降到150℃以下之前,需要持续供应少量氨气,保持炉内正压。当炉温降至150℃以下时,停止供应氨气并出炉。

钢板导轨软氮化处理后有轻微变形,需用校正设备进行校正,使零部件满足尺寸精度要求。每件样品取5个点,每个点依次递进深度0.05 mm,测量其硬度值并进行金相分析,如图5、图6所示。

结果表明:样品2—2—1表面硬度和芯部硬度均不符合要求,金相组织里均出现了白亮层,钢板导轨受力时易出现表层开裂和剥落。

2.2.3离子氮化工艺

离子氮化,是指将工件放在辉光放电装置的真

空容器中,工件为阴极,容器壁或另设金属板为阳极,充有稀薄的含氮气体,在直流高压电场的作用下,气体原子电离成离子,使之以较高的速度撞击工件,阴极表面上氮离子失去能量被工件吸收,并向内部扩散形成渗氮层的过程^[4]。

离子氮化处理通常需要用到大型真空脉冲等离子氮化设备。具体渗氮工艺参数如下:

1)首先将炉内真空度抽至约20 pa,然后以0.1~0.15m/h的速率通入纯氨气并起弧放电以使氨气分解;

2)随后进行辉光放电等离子氮化处理,处理时间为32 h,保持炉内气压在220 pa,并且保持温度在500℃;

3)待炉子自然冷却后取出样品,经检验发现氮化层深度超过0.2 mm,且硬度高于600 HV0.5^[5]。

钢板导轨离子氮化处理后有轻微变形,需用校正设备进行校正,使零部件满足尺寸精度要求。每件样品取6个点,每个点依次递进深度0.05 mm,测量其硬度值并进行金相分析,如图7、图8所示。

结果表明:样品2-3-1表面硬度和芯部硬度均符 合要求。样品内部硬度值曲线平缓,金相组织分布均匀细致,没有渗入合成化合物。

2.2.4对比分析

通过研究试验,对比氮化、软氮化、离子氮化三种制造工艺的硬度指标结果和金相组织照片发现:软氮化完全不符合指标要求;氮化工艺虽然表面硬度值稍稳定,但其金相组织里出现了白亮层(脆性相),钢板导轨受力时易出现表层开裂和剥落;离子氮化工艺内部硬度值曲线平缓,金相组织分布均匀细致,没有渗入合成化合物,无白亮层(脆性相)。因此,离子氮化更适合作为钢板导轨的制造工艺。

3结束语

双向拉伸塑料薄膜生产线正向着高速、宽膜方向发展, 目前最快生产线膜宽达10.4 m,运行速度达600 m/min,这就对钢板导轨的性能提出了更高的要求。特别是BOPET类生产线,国外钢板导轨的表面硬度值已达到750~900 HV1,处理层深度达0.7 mm,能满足各类厚膜生产线的要求。因此,我们还需要加深对钢板导轨制造工艺的研究,从而促进双向拉伸塑料薄膜行业的进一步发展。

[参考文献]

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[3]李万强.磨削与氮化的匹配性对摩擦学性能影响的研究[J].热处理技术与装备,2018,39(6):25-29.

[4]郝赛,杜凯.金属渗氮技术的起源、发展与进步[J].科技创新与应用,2014(18):45.

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2025年第2期第18篇